特許 5982259 低雑音増幅器、及び無線通信装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5982259

(24)【登録日】2016年8月5日

(45)【発行日】2016年8月31日

(54)【発明の名称】低雑音増幅器、及び無線通信装置

(51)【国際特許分類】

   H03F 1/26 20060101AFI20160818BHJP

   H03F 3/68 20060101ALI20160818BHJP

   H03F 3/193 20060101ALI20160818BHJP

   H04B 1/18 20060101ALI20160818BHJP

   H04B 1/10 20060101ALI20160818BHJP

【ＦＩ】

   H03F1/26

   H03F3/68 Z

   H03F3/193

   H04B1/18 D

   H04B1/10 N

【請求項の数】8

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2012-244770(P2012-244770)

(22)【出願日】2012年11月6日

(65)【公開番号】特開2014-93741(P2014-93741A)

(43)【公開日】2014年5月19日

【審査請求日】2015年8月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000208891

【氏名又は名称】ＫＤＤＩ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100076428

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康徳

(74)【代理人】

【識別番号】100112508

【弁理士】

【氏名又は名称】高柳 司郎

(74)【代理人】

【識別番号】100115071

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100116894

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 秀二

(74)【代理人】

【識別番号】100131886

【弁理士】

【氏名又は名称】坂本 隆志

(74)【代理人】

【識別番号】100170667

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 浩次

(72)【発明者】

【氏名】北藪 透

【審査官】 緒方 寿彦

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／１００５３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００８／０４１９４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０１−１３５１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５１０２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０１８８２３３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第５９５９５９２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｆ １／００− ３／４５、３／５０− ３／５２、

３／６２− ３／６４、３／６８− ３／７２

Ｈ０４Ｂ １／００− １／１８

Ｈ０４Ｂ ７／００− ７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の周波数帯域の信号を同時に受信可能な低雑音増幅器であって、
入力インピーダンスを整合させると共に、前記低雑音増幅器へ入力される信号を増幅して出力すると共に入力側へフィードバックする第１の増幅器と、
前記第１の増幅器と並列に接続され、前記低雑音増幅器へ入力される信号と前記第１の増幅器からフィードバックされた信号とを増幅する第２の増幅器と、
前記第１の増幅器から出力された信号と、前記第２の増幅器から出力された信号とを入力とし、前記第１の増幅器から出力された信号に含まれる雑音を、前記第２の増幅器において増幅された前記第１の増幅器からフィードバックされた信号に含まれる前記雑音と逆相合成することによりキャンセルする機能と、前記雑音をキャンセルした信号について、所定の周波数帯域の成分のみを通過させるフィルタ機能とを有し、前記複数の周波数帯域に含まれる希望波を増幅する、少なくとも２つの第３の増幅器と、
を有することを特徴とする低雑音増幅器。

【請求項2】

前記第３の増幅器は、前記複数の周波数帯域のうち１つの周波数帯域の成分のみを通過させる前記フィルタ機能を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の低雑音増幅器。

【請求項3】

前記低雑音増幅器は、前記複数の周波数帯域に含まれる周波数帯域の数だけの前記第３の増幅器を有する、
ことを特徴とする請求項２に記載の低雑音増幅器。

【請求項4】

前記第３の増幅器は、対応する周波数帯域に信号が含まれない場合に、前記フィルタ機能への信号の供給を遮断するスイッチをさらに有する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の低雑音増幅器。

【請求項5】

前記第１の増幅器の前記フィードバックに係る回路は、抵抗を含む抵抗性フィードバックを構成する、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の低雑音増幅器。

【請求項6】

前記第２の増幅器の入力インピーダンスは、前記第１の増幅器の入力インピーダンスより高い、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の低雑音増幅器。

【請求項7】

前記第２の増幅器は、負の増幅率を有する、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の低雑音増幅器。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１項に記載の低雑音増幅器と、
前記第３の増幅器により増幅された信号を入力とし、ＲＦ信号をベースバンド信号に変換するサンプリングミキサと、
を含む無線受信回路を有することを特徴とする無線通信装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はマルチバンド無線通信における低雑音増幅器、及び無線通信装置に関する。

【背景技術】

【0002】

３ＧＰＰでは、ユーザスループットを増加させる技術としてＣａｒｒｉｅｒ Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ（キャリアアグリゲーション）が取り入れられている（非特許文献１）。キャリアアグリゲーションは、周波数の組み合わせで主に以下の３つに分類できる。
（１）Ｉｎｔｒａ ｂａｎｄ ｃｏｎｔｉｇｕｏｕｓ ｃａｒｒｉｅｒ ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ（帯域内隣接キャリアアグリゲーション）
（２）Ｉｎｔｒａ ｂａｎｄ ｎｏｎ−ｃｏｎｔｉｇｕｏｕｓ ｃａｒｒｉｅｒ ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ（帯域内非隣接キャリアアグリゲーション）
（３）Ｉｎｔｅｒ ｂａｎｄ ｃａｒｒｉｅｒ ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ（帯域間キャリアアグリゲーション）
最後のＩｎｔｅｒ ｂａｎｄ ｃａｒｒｉｅｒ ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎでは、異なる帯域で同時に信号の送受信を行う。キャリアアグリゲーション向けの受信機構成に関しては非特許文献１において言及されている。そして、非特許文献１には、Ｉｎｔｅｒ ｂａｎｄ ｃａｒｒｉｅｒ ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ用の受信機について、使用する帯域専用のＲＦ回路（無線受信回路）を複数用いる構成が記載されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】３ＧＰＰ、「Ｅ−ＵＴＲＡのさらなる高度化：ＲＡＮ ＷＧ４におけるＬＴＥアドバンスド実現可能性調査（Ｆｕｒｔｈｅｒ Ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｅ−ＵＴＲＡ： ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ ｒａｎ ｗｇ４）」、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ ３６．８１５−Ｖ９．１．０、３ＧＰＰ、２０１０

【非特許文献2】Ｆｅｄｅｒｉｃｏ Ｂｒｕｃｃｏｌｅｒｉ、 Ｅｒｉｃ Ａ．Ｍ．Ｋｌｕｍｐｅｒｉｎｋ、及びＢｒａｍ Ｎａｕｔａ、「熱雑音キャンセルを利用した広帯域ＭＯＳ低雑音増幅器（Ｗｉｄｅ−Ｂａｎｄ ＣＭＯＳ Ｌｏｗ−Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｎｏｉｓｅ Ｃａｎｃｅｌｉｎｇ）」、ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ、２００４年２月、ＶＯＬ．３９、ＮＯ．２、ｐｐ．２７５−２８２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、受信機において複数の無線受信回路を並列に有するということは、回路面積、消費電力が増大することを招く。すなわち、例えば、３つの無線受信回路を並列に有する受信機では、単純に見積って、無線受信回路が１つの場合と比べて回路規模及び消費電力が３倍になってしまう。

【0005】

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、回路規模及び消費電力を抑えながら、複数の帯域を同時に取り扱う無線信号の受信技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明による低雑音増幅器は、複数の周波数帯域の信号を同時に受信可能な低雑音増幅器であって、入力インピーダンスを整合させると共に、前記低雑音増幅器へ入力される信号を増幅して出力すると共に入力側へフィードバックする第１の増幅器と、前記第１の増幅器と並列に接続され、前記低雑音増幅器へ入力される信号と前記第１の増幅器からフィードバックされた信号とを増幅する第２の増幅器と、前記第１の増幅器から出力された信号と、前記第２の増幅器から出力された信号とを入力とし、前記第１の増幅器から出力された信号に含まれる雑音を、前記第２の増幅器において増幅された前記第１の増幅器からフィードバックされた信号に含まれる前記雑音と逆相合成することによりキャンセルする機能と、前記雑音をキャンセルした信号について、所定の周波数帯域の成分のみを通過させるフィルタ機能とを有し、前記複数の周波数帯域に含まれる希望波を増幅する、少なくとも２つの第３の増幅器と、を有する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、複数の帯域を同時に取り扱う場合の回路規模及び消費電力を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】従来の無線受信回路の構成を示す概略図。

【図2】本発明の無線受信回路の構成を示す概略図。

【図3】無線受信回路の１段目の２つの増幅器の構成例を示す図。

【図4】無線受信回路の２段目の増幅器の構成例を示す図。

【図5】サンプリングミキサの構成例を示す図。

【図6】増幅器１のトランジスタＭ₁にのみ着目した場合の回路図。

【図7】図６の回路を雑音のみに着目して簡略化した図。

【図8】２段目の増幅器における雑音の影響を概略的に示す図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

【0010】

（全体構成）
まず、本発明に係る背景の理解のために、無線通信装置に搭載される、複数の無線受信回路を並列に接続する従来の無線受信回路について説明する。図１は、３つの帯域にそれぞれ対応する無線受信回路を並列に有する無線受信回路である。無線受信回路において、信号は、アンテナを介して受信され、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）を通過し、低雑音増幅器（ＬＮＡ）により増幅される。その後、信号は、ミキサにより同相成分と直交成分とのそれぞれのベースバンド信号に変換され、増幅器で増幅されて、帯域通過フィルタで不要帯域の成分が抑圧された後に、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換される。このように、単に複数の無線受信回路を並列に接続した回路では、帯域数の増加に応じて、回路規模が非常に大きくなりうる。

【0011】

これに対して、本実施形態に係る無線受信回路は、回路規模を抑え、図２のような構成をとる。本実施形態に係る無線受信回路は、並列に並べられた１段目の第１の増幅器１及び第２の増幅器２と、増幅器１及び増幅器２の出力をそれぞれ入力とする２段目の第３の増幅器３〜５とを備える低雑音増幅器を有する。ここで、増幅器１は、インピーダンス整合機能を有し、入力インピーダンスが５０Ωとなるように調整される。この増幅器１は、増幅率が高いが、雑音を生じ、又は雑音を増幅してしまう。一方、増幅器２は、信号の他に、混入する増幅器１の雑音を増幅して出力する。増幅器３〜５は、増幅器１による雑音をキャンセルするように、増幅器１及び増幅器２から入力された信号を合成する機能と、その信号の所定の周波数帯域の成分のみを通過させて所望の信号である希望波を取り出すフィルタ機能とを有する。なお、フィルタ機能は、受信信号に含まれる複数の周波数成分を有する希望波のうち、１つのみを通過させるように構成としてもよいし、複数の周波数帯域を１つのフィルタで通過させるような構成としてもよい。すなわち、希望波が含まれる周波数帯域ごとに１つのフィルタ機能付き増幅器を用意してもよいし、例えば一部の帯域については２つの周波数帯域をまとめて通過させるフィルタ機能付き増幅器を用意してもよい。２段目の増幅器３〜５の出力は、それぞれサンプリングミキサ１〜３へ入力され、ベースバンド信号へ変換される。

【0012】

なお、本実施形態では、２段目にフィルタ機能付き増幅器を並列に並べたが、フィルタ機能のない広帯域増幅器１つを用いて１段目の２つの増幅器の出力を合成、増幅することもできる。このとき、２段目の広帯域増幅器の出力は、各帯域用のサンプリングミキサに分配される。しかし、この場合、サンプリングミキサによりＲＦ信号をベースバンド信号に変換する際に、１段目の増幅器及び２段目の増幅器で増幅された雑音がベースバンド信号に加わってしまう。したがって、受信器の感度が劣化することが想定されうる。

【0013】

また、本実施形態では、１段目の増幅器を並列に２つ並べたが、１段目の増幅器を１つにし、それを並列に複数のフィルタ機能付き増幅器３〜５へ入力することもできる。しかし、この場合、１段目の増幅器で５０Ωのインピーダンスマッチングを行うことと、低ＮＦ（雑音指数）と、低消費電流を同時に成立させることは困難であり、ＮＦが劣化するか消費電力が高くなることが想定されうる。

【0014】

（各増幅器の構成）
以下、具体的な回路構成について説明する。図３は、１段目の２つの増幅器の構成を示す回路図である。図３において、アンテナからの入力信号を、Ｖ_inで示す。

【0015】

増幅器１において、トランジスタＭ₁は、ｎチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ、Ｍ₂はｐチャネルＭＯＳ−ＦＥＴであり、フィードバックレジスタＲ_fと共に、抵抗性フィードバックＬＮＡを構成する。Ｍ₁およびＭ₂のチャネル長及びチャネル幅は、入力インピーダンスが５０Ωとなるように調整される。Ｍ₃は電流源であり、キャパシタＣ₁は高周波信号をグランド（ＶＤＤ）と接続するバイパス回路を与える。増幅器１において増幅された信号は、発生した（又は増幅された）雑音と共に、フィードバックレジスタＲ_fを介して入力側へフィードバックされ、増幅器２へと入力される。

【0016】

増幅器２においては、トランジスタＭ₄とＭ₅とを備える。入力インピーダンスは増幅器１とは異なり、ハイインピーダンスである。Ｍ₆は電流源であり、Ｃ₂はバイパスキャパシタである。また、増幅器１と増幅器２の出力信号はカップリングキャパシタＣ₃、Ｃ₄を通して、２段目の増幅器へと入力される。

【0017】

２段目では、本実施形態では、３つの周波数帯域に対応するために、各帯域用の３つの増幅器が並列に接続される。図４に、第１の周波数帯域用の２段目の増幅器３の回路構成の例を示す。増幅器３では、増幅器１からの出力信号ＸをＭ₈が増幅し、増幅器２からの出力信号ＹをＭ₉が増幅する。これらの信号はトランジスタＭ₇で足しあわされてＬＮＡＯＵＴ１のポートに出力される。このとき、Ｌ₁とＣ₅で構成されるＬＣフィルタは第１の周波数帯域の信号を通過させるバンドパスフィルタとして働く。ここで、トランジスタＭ₈及びＭ₉のチャネル幅及びチャネル長は、増幅器１の雑音がＭ₇で足しあわされた際に逆相合成され、キャンセルするような比率に設定する。図４に示すような増幅器が、増幅器４及び増幅器５としても用いられる。ただし、それぞれ対応する帯域が異なるため、増幅器４及び増幅器５のＬＣ回路は、それぞれ第２の周波数帯域及び第３の周波数帯域の信号を通過させるバンドパスフィルタとして動作する。各帯域用の２段目の増幅器３〜５の出力信号は、図５に示すサンプリングミキサでベースバンド信号に変換される。

【0018】

なお、端末は複数の帯域の信号を常に受信するわけではなく、２帯域、１帯域のみの信号を受信すればよい場合もある。このような時、例えば、第１の周波数帯域の信号を受信する必要がない場合は、Ｍ₇をＯＦＦにしてフィルタ機能部分への信号の供給を遮断し、消費電力を抑えてもよい。このようなＯＮ、ＯＦＦのコントロールができるように、Ｍ₇のゲートにスイッチを設け、Ｖ_DDとＧＮＤとのいずれかに接続されるように、外部からの制御により接続先を切り替え可能とするような構成としてもよい。

【0019】

（雑音キャンセル動作）
本実施形態においては、上述のように、２段目の増幅器でノイズがキャンセルされる。この原理については、非特許文献２に詳しいが、以下、簡単にノイズキャンセリング技術について説明する。

【0020】

ノイズキャンセリングの対象となるのは、インピーダンスマッチングを行う増幅器１で増幅される雑音である。ここで、説明を簡略化するために、増幅器１のＭ₁のみを抜き出した図６の回路図を用いて説明する。ここで、Ｉ²_n1はＭ₁の雑音を表す電流源である。図６の回路は、雑音のみに着目して簡略化すると図７のようになる。図７より、点Ｂで観測されるＭ₁の雑音は、Ｒ_s／（Ｒ_s＋Ｒ_f）に分圧されてＡで観測される。このとき、Ｂでの雑音とＡでの雑音は同相である。

【0021】

この雑音がＬＮＡの出力まで、どのように伝わっていくかを図８に示す。なお、図８では、２段目の増幅器として第１の周波数帯域向けの増幅器３を説明の対象とするが、増幅器４及び５においても、同様の仕組みでノイズキャンセリングが動作する。

【0022】

増幅器１の出力信号Ｖ_Bは、２段目の増幅器３のトランジスタＭ₈のゲートへと接続される。なお、ここで、増幅器１の「出力信号」という表現を用いているが、ここでの説明では、この信号は雑音である。トランジスタＭ₈では、この入力電圧Ｖ_Bに応じて、ｇ_m8Ｖ_Bの電流を出力する。ここで、ｇ_m8は、トランジスタＭ₈のトランスコンダクタンス（相互コンダクタンス）である。

【0023】

増幅器１の点Ａにおける雑音は、増幅器１に並列接続された増幅器２で増幅される。この増幅器の増幅率（ゲイン）をＧ_subとすると、この増幅器の出力信号（雑音）はＧ_subＶ_Aである。この信号は２段目の増幅器３のトランジスタＭ₉のゲートへと接続され、トランジスタＭ₉はｇ_m9Ｇ_subＶ_Aの電流を出力する。ここでｇ_m9はＭ₉のトランスコンダクタンスである。これらの電流（ｇ_m8Ｖ_B＋ｇ_m9Ｇ_subＶ_A）は、Ｍ₇を通して出力ポートに接続される。図８では出力インピーダンスをＺ_Ｌで表している。Ｚ_Lを通して上述の電流は電圧に変換され、出力ポートでの電圧は（ｇ_m8Ｖ_B＋ｇ_m9Ｇ_subＶ_A）Ｚ_Lとなる。

【0024】

このように、増幅器１の雑音は、出力ポートにおいて（ｇ_m8Ｖ_B＋ｇ_m9Ｇ_subＶ_A）Ｚ_Lとなって観測される。したがって、雑音をキャンセルすることは、（ｇ_m8Ｖ_B＋ｇ_m9Ｇ_subＶ_A）Ｚ_L＝０にする（又は０に近づける）こととなる。

【0025】

ここで、Ｖ_A、Ｖ_Bに関しては、上述のようにＶ_A＝Ｖ_BＲ_s／（Ｒ_s＋Ｒ_f）の関係がある。しかし、Ｒ_sは通常５０Ωであり、Ｒ_fはインピーダンスマッチングのために値を決定することになるので、ノイズキャンセリング用に調整することは難しい。したがって、調整に用いるパラメータは、Ｇ_subとｇ_m8／ｇ_m9となる。具体的には、Ｇ_sub＝−（ｇ_m8／ｇ_m9）×（（Ｒ_s＋Ｒ_f）／Ｒ_s）となるように、Ｇ_subとｇ_m8／ｇ_m9を決定することで、ノイズキャンセリングを行う。なお、ｇ_m8、ｇ_m9、Ｒ_s、Ｒ_fは正の値であることから、Ｇ_subは負の増幅率である必要があり、図３に示す回路を用いることで負の増幅率を与える。

【0026】

以上のような構成により、低雑音増幅器（ＬＮＡ）を各周波数帯で共用することができ、回路規模を抑えながら、複数の周波数帯域の信号を同時に受信可能な受信機を実現することができる。また、２段目の増幅器において雑音がキャンセルされるため、低ＮＦ、つまり受信感度の良い受信機を構成することが可能となる。また、２段目の増幅器がフィルタ機能を備えることから、サンプリングミキサにより変換されて得られるベースバンド信号に加わる雑音の量を抑え、雑音の影響を十分に抑えることが可能となる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】